So funktioniert ein See

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So funktioniert ein See

Grundbegriffe der Seen-Oekologie

Peter Bossard EAWAG

Forschungszentrum für Limnologie

6047 Kastanienbaum

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So funktioniert ein See

• a) Der See als Oekosystem

• b) Morphologische Gliederung eines Sees, Oekosystem See = Biotop + Biozoenose;

Verlinkung/Austausch mit Atmosphäre

(Wind,Wetter, Gase), mit Wasser (Zu- und Abfluss)

und mit Energie (Sonneneinstrahlung, Wärmeaustausch)

• c) Energiehaushalt eines Sees im Jahresverlauf;

Einstrahlung, Temperatur, Zirkulation, Stagnation, vertikale Schichtung.

• d) Inhaltsstoffe des Seewassers:

gelöste Gase, gelöste Stoffe, (lebende, tote) Partikel

•

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• e) Phytoplankton als Nahrungsgrundlage für die Lebensgemeinschaft im See: Photosynthese, Primärproduktion, Nährstoffaufnahme

• f) die Rolle des Phosphors als wachstumsbegrenzender Nährstoff im See

• g) Beziehungsgefüge: Nahrungskette, Nahrungsnetze, Nahrungspyramide

• h) Dynamik biologischer Prozesse und ihre Auswirkung auf die Verteilung von Inhaltstoffen im See

• i) See-interne Phosphor-Selbstdüngung

h) Oligotrophie – Eutrophie: Zustandsbeurteilung von Seen

So funktioniert ein See

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Oekologie

Wasser

unbelebter Lebensraum

heisst „Biotop“

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Oekologie

Lebensgemeinschaft

heisst „Biozoenose“

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Oekologie

Biozoenose + Biotop

Oekosystem =

Wasser

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Der See als offenes Oekosystem

Sediment

Zuflüsse:

Wasser und

Inhaltstoffe Ausfluss

Sonnenenergie:

Licht, Wärme

Algen

gelöste Stoffe

Tiere Bakterien

Atmosphäre

Windenergie O

₂

CO

₂

Partikel

Oekologie

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Geschlossene Oeko- systeme existieren eigentlich nicht.

Energie-Import von der Sonne

Oekologie

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Tiefe in Metern 0 m

10 m

Morphologische Gliederung eines Sees

20 m

maximal bis 20 m

Ufer Uferzone

Litoral

Freiwasserzone - Pelagial

Oekologie

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Tiefe in Metern 0 m

10 m

Morphologische Gliederung eines Sees

20 m

maximal bis 20 m

Ufer Uferzone

Litoral

Freiwasserzone - Pelagial

Nährschicht - trophogene Schicht

Zehrschicht-tropholytische Schicht

Tiefenwasser - Profundal Seegrund - Benthal Seesediment

Licht

dunkel

Oekologie

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Einfluss der Sonnenstrahlung

auf die Wassertemperatur in einem See mittleren Breitengrades (47°N)

Januar Juni Dezember

Durchschnittstemperatur des Wasserkörpers

4°C

°C

Oekologie

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Auswirkung der Sonneneinstrahlung auf einen See

Oekologie

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Temperatur in

^o

C

4 20

0 10

sp ez ifi sc he s G ew ic ht ( D ic ht e) d es W as se rs

1.0000 0.9990

- Wasser ist bei 4

^o

C am schwersten.

- Wird Wasser kälter so wird es leichter.

(Eis schwimmt auf dem Wasser) -Wird Wasser wärmer, wird es

ebenfalls leichter

Dichte-Anomalie des Wassers

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Zirkulation Schichtung

Winter Sommer

Schichtung

Durchmischung von Wasser und

Inhaltstoffen

O

₂

O

₂

, CO

₂

, N

₂

20°C 18°C16°C

5°C

4°C 4°C

6°C 10°C

Oekologie

(15)

Stagnation - Zirkulation

Frühjahr Sommer

Herbst Winter

Oekologie

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INHALTSTOFFE IM SEE:

a) Partikel: (Durchmesser in µm-mm)

Autochthone Partikel: Plankton Phytoplankton Zooplankton

Detritus (z.B. abgestorbenes Plankton) Allochthone Partikel: Eingeschwemmtes Material

Tonmineralien etc.

b) gelöste Stoffe: Konzentration in mg/l Karbonat/Bikarbonat (HCO

₃

-, CO

₃^2-

) 50 - 200

Kalzium (Ca

²⁺

) 20 - 60

Magnesium (Mg

²⁺

) 2 - 10

Sulfat (SO

_4-

) 2 - 20

Nitrat (NO

_3-

) 0 - 1

Phosphat (PO

_4-

) 0 - 0.5

Kieselsäure (SiO

₂

) 1 - 10 versch. Spurenelemente: ng - µg/l

Fe, Mn, Al, Hg, Cu, Cd, Zn, etc.

c) gelöste Gase: mg/l

Kohlensäure (CO

₂

) 0 - 20

Sauerstoff (O ) 0 - 20

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Plankton lebt im freien Wasser von Seen, Weihern und Flüssen.

Die Grösse von Planktonorganismen wird in Mikrometern (m) bis Millimeter (mm) gemessen

“Plankton” heisst auf griechisch

“das Schwebende”

Plankton

Oekologie

Plankton besteht aus mikroskopisch kleinen

Pflänzchen, Bakterien und Tierchen.

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Phytoplankton

heisst “pflanzliches Plankton”

Phytoplankton besteht aus Algen

Zooplankton

heisst "tierisches Plankton"

Unter dem Zooplankton finden sich von einfachen

Einzelzellern bis zu

Kleinkrebsen eine Vielfalt von

Oekologie

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Phytoplankton

(Algen) Beispiele

(20)

Phytoplankton Beispiele

(21)

Zooplankton Beispiele Einzeller: Urtiere

Mehrzeller: Kleinkrebse,

Rädertiere

(22)

Zooplankton: Kleinkrebse

(23)

Schliessnetz

Konventionelles Netz

Planktonnetze

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Algen bilden die Nahrungsgrundlage für andere aquatische Organismen

Mit Hilfe der Photosynthese nehmen sie anorganische Stoffe auf und wandeln sie in energiereichere organische Algenbiomasse um

Summenformel der Photosynthese

6 CO ₂ + 12 H ₂ O C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ + 6H ₂ O

Algenbiomasse

Licht

Oekologie

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Sonnenlicht Sauerstoff

Kohlendioxyd

Spurenelemente

Phosphat Nitra

t Silizium Alge

Oekologie

(26)

Wassertiefe im See

Vertikale Verteilung der Primärproduktion des Phytoplanktons (Algen) im See

Wasser

oberfläche

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für Algen

N P

Si C

106 : 17 : 16 : 1

optimales molares (stöchiometrisches) Nährstoffverhältnis

Oekologie

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P ho sp ho r

S tic ks to ff

Phosphor ist meistens der wachstums- begrenzende

Nährstoff für Algen

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Nährstoffangebot im Seewasser:

Elementare Zusammensetzung in der Alge:

P

Angebot und Nachfrage von Nährstoffen für das Algenwachstum in einem Schweizer See:

Deshalb ist Phosphor (als Phosphat) sehr oft der wachstumsbegrenzende Nährstoff in Gewässern

Oekologie

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Oekologie

(31)

Oekologie

Primärproduzent Primärkonsument Sekundärkonsument

Tertiärkonsument Endkonsument

In jeder Stufe werden 9/10 der gefressenen Substanz in Energie umgesetzt

(Betriebsstoff).

Nur je 1/ 10 kann als

Biomassezuwachs

verbucht werden

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Gefüge:

Netzwerk von Ursachen und Wirkungen Kausalnetz

A B C D

Kausalkette

A

B

C D

Kausalkreis

Recycling

„Einbahnstrasse“

Oekologie

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Kausalnetz

A B C

D E

F

G

H

I

K

komplexe Vernetzung von K-Ketten und K-Kreisen

Oekologie

(34)

Beispiel eines Nahrungsnetzes in

der Freiwasserzone eines Sees

Oekologie

(35)

Energie

Phytoplankton

Algen

Primärproduzenten

Kreisläufe im See

Zooplankton

Wasserflöhe, Insektenlarven Primärkonsumenten

Fische, Invertebraten

Folgekonsumenten

Bakterien Destruenten

Nährstoffe

(CO

₂

, PO

₄

, NO

₃

)

Mensch Endkonsument

O ₂

O

₂

O ₂

O

₂

(36)

Sediment Algen

PO

₄

Tiere

Mineralisation

Oekologie

Sedimentation Thermische Schichtung Sommer-Stagnation

Nährschicht

Zehrschicht

PO

₄

X

Diffusionsbarriere

Primärproduktion - Photosynthese O

₂

O

₂

(37)

Vertikale Umschichtung von Phosphor im See während der Sommer-Stagnation

O

₂

Phosphat Temp

O

₂

Temp Phosphat

Nährschicht

Zehrschicht

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Phosphor-Kreislauf im See

Frühjahr Sommer

Oekologie

PO

₄^-

gelöst

Phosphor Winter

Phosphat wird während der

Winterzirkulation im ganzen See von unten bis oben gleichmässig verteilt

Phytoplankton

Das Wachstum des Phytoplanktons vermindert die Phosphatkonzentration sukzessive in der trophogenen (oberen) Schicht

in organischen Partikeln gebundener Phosphor sedimentiert in das

Tiefenwasser und auf den Seegrund

Winterzirkulation:

Sommerstagnation:

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Vertikale Verteilung gelöster Stoffe im eutrophen See im Spätsommer

Sauerstoff

Phosphat

Nitrat (ox.)

Ammonium (red.)

Sulfid (red.)

Sulfat (ox.)

Methan (red.) Sauerstoff

Anaerob

reduktive Verhältnisse

Gärungs- prozesse

Aerob

oxidative Verhältnisse

Nährschicht

Zehrschicht

Nährschicht

Zehrschicht

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Fe

_II⁺

Ion

Fe

_III⁺

Ion + PO

₄^-

Ion

Fe

_(II)

PO

₄

Fe

_(II)

S Fe

_(II)

PO

₄

Fe

_(III)

PO

₄

anaerob - reduziert

O

₂

< 3 mg/L

O

₂

> 4 mg/L aerob - oxidiert

Sauerstoffkonzentration

Sediment Wasser

Phosphor – Eisen Umsatz

in der Wasser-Sediment Kontaktzone eines Sees

Oxidation

Ausfällung und Sedimentation

Rücklösung

PO

₄^-

Phosphat-Selbstdüngung des Sees vom Sediment

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